面向学生认知困境的《材料科学基础》课程教学改革探索

近年来，材料类专业的核心课程《材料科学基础》长期面临“教师教得费力，学生学得痛苦”的困境。学生普遍反映课程内容庞杂（晶体结构、缺陷、扩散、相图、相变、力学性能等模块交织）、概念抽象（如位错、滑移系、自由能曲线）、理论深奥且彼此关联紧密，导致“听不懂”、“记不住”、“不会用”成为常态。这种认知困境严重打击学习积极性，制约后续专业课程的学习效果。针对这一痛点，亟需打破传统“满堂灌”模式，实施以学生认知规律为中心的教学改革，切实降低学习门槛，提升知识内化与应用能力。

一、从抽象符号到具象感知

传统教学中，晶体结构、位错运动等核心概念高度依赖二维示意图和数学公式，极大挑战学生的空间想象与抽象思维能力，这是学生“听不懂”的首要障碍。在教学过程中，应该深度融入三维可视化与交互技术。在课堂教学、课后练习、考核环节中，强制要求使用如 Materials Project、CrystalMaker、OVITO 等专业级三维晶体结构可视化软件，或集成类似功能的轻量级网页应用。Teplá et al.[1]研究了 3D 模型和动画对学生的影响，结果表明，在教学过程中使用 3D 模型和动画显著增加了学生学习自然科学的内在动机。利用成熟的虚拟仿真实验教学平台（如国家虚拟仿真实验教学项目共享平台上的相关项目），让学生在安全、低成本环境下进行“危险”（如高温熔炼）、“高成本”如透射电镜观察位错）、“耗时”（如长时间扩散退火）的实验操作与数据分析。重点模拟微观过程（如位错与障碍物交互的分子动力学模拟操作）和复杂设备操作（如扫描电镜 EDS 成分分析流程）。

二、从碎片化到项目化、案例化

课程知识点孤立割裂，学生难以建立“材料成分-工艺-结构-性能-应用”逻辑链条。教师可精心设计跨模块项目，围绕一个贴近工程实际或科技前沿的具体材料应用目标，如“设计一款轻量化自行车车架用铝合金”、“开发一种高温服役的航空发动机涡轮叶片涂层材料”、“优化智能手机背板玻璃的抗跌落性能”，将课程核心知识点（晶体结构选择、强化机制设计、相图分析、热处理工艺制定、性能预测）有机嵌入项目各阶段。同时引入“全链条”式工程案例教学，深度剖析经典案例：精选 3-5 个工程案例，如波音 787 机身复合材料选材与制造中的扩散与界面问题；CPU 芯片硅单晶制备中的晶体缺陷控制；汽车齿轮渗碳淬火工艺中的扩散、相变与组织性能关联。

三、从被动接受到主动建构

理论学习与实践脱节，学生缺乏运用理论解决实际问题的“手感”，难以将知识内化。因此需要虚拟仿真实验与真实实验并重，利用虚拟仿真平台进行位错观察、高温扩散等实验。并优化实验设计，强化金相制备等核心技能[2,3]。基于问题的学习，在讲授新知识点前抛出挑战性问题，如“纯金属为何比合金软？”。设置短周期探究课题，如冷变形对铜再结晶影响。

四、从记忆导向到能力导向

单一的期末笔试过度强调公式记忆和概念复述，无法有效评价学生对核心原理的理解深度和运用能力，且加剧了学生的“知识点恐惧症”。因此，需要提升过程性评价多元化与权重，大幅增加过程性评价占比至50%-70% ，对项目报告、案例分析等，制定清晰的评价量规，明确考察维度，如逻辑清晰度、理论运用准确性、分析深度、创新性、报告规范性等，引导学生关注能力提升而非分数本身[3-5]。期末笔试题目设计应大幅减少死记硬背型题目（如默写定义、公式），显著增加综合性、分析性、应用性、开放性题目。例如：材料选择与论证题：“为某特定工况（给出温度、应力、环境等条件）下的零件推荐材料并阐述理由（需结合晶体结构、强化机制、相图、环境适应性等知识）”。现象分析与解释题：“结合位错理论和强化机制，分析图中两种合金（给出应力-应变曲线）的强度差异原因”。工艺设计题：“为实现某零件特定的性能要求（给出硬度、韧性等指标），设计其热处理工艺路线（包含关键温度、保温时间、冷却方式等），并解释每一步骤的相变原理和预期组织”。基于真实数据的分析题，提供一组真实的实验数据，如不同温度下测得的扩散系数、不同热处理后的金相照片和性能数据，要求学生进行分析、解释和推论。

结语

《材料科学基础》的教学改革，其核心在于深刻理解学生认知困境的根源——知识的抽象性与碎片化。破解之道在于运用技术手段（可视化、VR/AR）将微观世界具象化，通过项目与案例重构知识联结，借助虚拟仿真与探究活动深化实践认知，并以能力导向的考核牵引学习方式转变。这是一项系统工程，需要教师从“知识传授者”转变为“学习引导者”和“环境设计师”，更需要学校在资源建设、教师发展、评价机制等方面提供有力保障。改革的最终目标，不仅是让学生“听懂”材料科学基础，更是点燃他们探索材料奥秘、解决实际工程问题的热情与信心，为培养我国新时代卓越材料工程师奠定坚实的基石。唯有如此，这门至关重要的专业基石课程才能焕发新生，真正成为学生专业成长的强大引擎。

参考文献

[1]Teplá M, Teplý P and Šmejkal P.Influence of 3D models and animations on students in natural subjects.International Journal of STEM Education.2022, 9:65.

[2]张一坤,史姣,宋晓茜.智能制造背景下材料科学基础课程教学改革探索.中国铸造装备与技术.2025,60(02):104-107.

[3]崔保银,李鹏,赵清,谭俊华.新能源材料与器件专业材料科学基础教学改革探索.山西青年.2025(05):142-144.

[4]陈贝贝,严学华.新时代材料科学基础课程教学改革与实践探索.中国现代教育装备.2024(11):127-129.

[5]以创新思维和能力培养为导向的材料科学基础课程教学改革研究.化工设计通讯.2023,49(11):127-129+162.